STM32L051芯片 超低功耗特性概览
STM32L051芯片 超低功耗特性概览
STM32L051芯片是意法半导体推出的一款基于ARM Cortex-M0+内核的超低功耗微控制器。它在保持高性能的同时，通过多种创新技术实现了极低的功耗，适用于各种低功耗应用场景。本文将详细介绍该芯片的主要特性、高能效处理机制以及多种低功耗模式。
1 STM32L0xx主要特性
在备受赞誉的STM32F0x和STM32L1系列产品的雄厚基础上，STM32L0xx加入了多种创新，能够使不同配置下的功耗减到最小，同时保留大部分现有外设并保持准引脚兼容。
对于给定的制造工艺和晶片区域，微控制器的功耗主要取决于两个因素（动态可控）：电压和频率。在STM32L0xx器件中，内部低压降调压器为大部分的逻辑电路提供了一个固定电压：确保无论电源电压是多少（可能随着便携式电池供电的产品寿命而降至1.65V），功耗都能保持最小。
如果我们考虑时钟源，则多个级联的时钟预分频器、门控技术和逐个外设时钟管理允许在适当的频率下只激活必要的逻辑门。这是当前针对降低运行模式下功耗通用的设计原则。
STM32L0xx在此方向上做了更多努力，实现了电压调节，可达到更高的处理效率。
但是，要满足所有的超低功耗要求，不能仅仅关注运行时间：对于大部分应用，挑战是在该模式下花费最少的时间和能量，并寻找合适的低功耗模式。改进措施不仅仅包括优化深度睡眠模式，可消除其每十nA的泄漏。系统也通过具有7个低功耗模式和一组能够调整为低功耗的外设得到了完善（例如日历实时时钟和玻璃LCD控制器）。这些内容在后面有详细描述。
2 高能效处理
STM32L0围绕工业标准32位内核Cortex-M0+构建，在众多其他标准中，它针对低功耗应用而设计。
Cortex-M0+具有领先的性能和代码密度。虽然性能与低电流消耗无直接关系，但它是大多数低功耗应用（须周期唤醒来执行软件任务）的主要优势。这种情况下，Cortex-M0+因其处理性能而在运行模式的时间更少，因此可以使深度睡眠模式的时间达到最长。如果我们仅考虑处理能耗（用mA/DMIPS表示，DMIPS代表Dhrystone MIPS，采用公共基准Rev 2.0测量），Cortex M0+的性能明显优于其他架构（尤其是16位微控制器）的性能。由于性能（用DMIPS/MHz表示）由内核及其存储器接口给出，则通过电压调节，可使处理能耗（用mA/DMIPS表示）达到最大。这种方法（也称为欠压）包括动态调节内部逻辑供电电压与工作频率。STM32L0xx提供了3个动态可选电压范围，如下图所示，从1.8V（范围1）至1.2V（范围3），可在能耗上提供超过25%的增益。
一个典型例子是具有USB设备功能的便携式医疗设备。
如果它在单机模式下工作，那么4MHz足够用来获取和处理来自模拟前端的数据。这种情况下，内部逻辑可仅用1.2V供电。
但是，当系统连接到PC的USB接口时，执行USB软件堆栈需要更多的处理功率：这种情况下，可将设备置于“高性能模式”，此模式下内部电压为1.8V。然后它能够以32MHz执行代码，同时USB外设由48-MHz时钟驱动。可利用电压调节来处理这两种工作模式的矛盾，而无需妥协动态电流消耗性能。
3 多种低功耗模式
在更高的架构级上来看，可进入低功耗模式（7种低功耗模式的某一种）来调节STM32L0的功耗。
通过逐步禁用与频率无关的电流源（时钟源，非易失性存储器和调压器），直至大部分芯片掉电，可以降低功耗功耗。下表概括了每种模式的特点并显示了电流消耗。
除了STM32F模式，STM32L0xx上还实现了两种新的模式：低功耗运行和低功耗睡眠模式。它们为应用提供了具有极低电流消耗的运行和睡眠模式功能，这种情形下一些外设不能关闭，或者CPU持续低速工作以使电流变化最小。可使用几种功能模块实现极低电流：
- 调压器处于低功耗（LP）模式以降低其静态电流。
- 可关闭非易失性存储器，在8-KB RAM上工作
- 主时钟源来自于MSI内部RC振荡器，它能够降低至1.5 µA。
调压器能够在LP模式下实现的最大电流仅限制了工作频率和它能够激活的外设数量。